O największych detektorach najmniejszych cząstek dyskutowano w Warszawie

Neutrina to (prawie) nieuchwytne cząstki, które mogą nam dostarczyć niezwykle ciekawe informacje o prapoczątkach Wszechświata. Wkrótce rozpocznie się w Japonii budowa kolejnego potężnego detektora neutrin Hyper-Kamiokande: w tym międzynarodowym przedsięwzięciu chcą wziąć udział także Polacy. M.in. o tym projekcie dyskutowali goście z całego świata na konferencji z serii Theory Meeting Experiment zorganizowanej w dniach 19–21 września w Warszawie m.in. przez Narodowe Centrum Badań Jądrowych.

Choć istnienie neutrin zostało zapostulowane teoretycznie już w roku 1930 (Pauli), a zaobserwowano je eksperymentalnie w roku 1956 (Reines i Cowan), nadal są to cząstki, o których wiemy bardzo mało. Wynika to z faktu, że bardzo niechętnie oddziałują one z pozostałymi składnikami materii. Aby je zaobserwować, trzeba budować wielkie detektory w tak egzotycznych miejscach jak lody Antarktydy, głębiny oceanów lub ogromne sztolnie wyeksploatowanych kopalni. Detektory muszą być wielkie, by zwiększyć szansę na to, że poszukiwany akt oddziaływania neutrina z jądrem atomowym lub elektronem zajdzie właśnie w ich obszarze i zostanie zarejestrowany.
Obserwacja neutrin polega na detekcji cząstek powstałych w wyniku ich oddziaływania z materią. Jeśli energia neutrina jest duża i jednak „trafia” ono w jakąś cząstkę w detektorze (szansa na to jest naprawdę bardzo mała!), to oddziałując z jądrem lub elektronem produkuje cały pęk nowych cząstek. Rozbiegną się one w charakterystyczny sposób od punktu oddziaływania i można je rejestrować stosunkowo prostymi już metodami. Jedną z nich jest obserwacja światła powstającego wówczas, gdy naładowane cząstki (na przykład elektrony) poruszają się w wodzie szybciej niż światło podróżujące przez ten ośrodek. Taka emisja światła nazywa się promieniowaniem Czerenkowa (nagroda Nobla 1958), a zjawisko to wykorzystują właśnie największe detektory neutrin.
Zorganizowana w Warszawie konferencja z cyklu Theory Meeting Experiment i zatytułowana European Workshop on Water Cherenkov Precision Detectors for Neutrino and Nucleon Decay Physics zbiegła się z ogłoszeniem decyzji o budowie w Japonii nowego detektora wodnego typu Czerenkowa, który nazywać się ma Hyper-Kamiokande. Obecnie pracujący japoński detektor Super-Kamiokande działa już od ponad 20 lat i zawiera 50 tys. ton wody. Masa wody w detektorze Hyper-Kamiokande ma być dziesięciokrotnie większa, co przełoży się na odpowiednio wyższe prawdopodobieństwo obserwacji oddziałujących w nim neutrin. Detektor ma rejestrować neutrina przychodzące z atmosfery, Słońca i kosmosu, jak i z reakcji wywołanych w sztuczny, kontrolowany sposób przez odległy o kilkaset kilometrów akcelerator w ośrodku J-PARC.
„W Warszawie dyskutowaliśmy o możliwościach fizycznych Hyper-Kamiokande – w tym o możliwości zaobserwowania w nim rozpadu protonów, co przewidują niektóre teorie” – relacjonuje prof. Ewa Rondio, dyrektor naukowy NCBJ, jedna z liderek polskiej grupy fizyków neutrinowych. „Dużo czasu poświęciliśmy też zagadnieniom praktycznym: jak zbudować tak duży detektor, jak go przygotować do pracy i eksploatować, jak lepiej odczytywać dane i na ich podstawie rekonstruować informacje o obserwowanych neutrinach".
Podsumowując konferencję prof. Tsuyoshi Nakaya (Kyoto) powiedział, że projekt Hyper-Kamiokande wychodzi naprzeciw najbardziej podstawowym pytaniom współczesnej fizyki: Czy i jak zunifikowane są różne oddziaływania podstawowe? Jaki mechanizm nadaje masę neutrinom? Co jest źródłem wielości generacji cząstek? Co tłumaczy asymetrię pomiędzy cząstkami i antycząstkami we Wszechświecie? Czym jest ciemna materia? Jakie mechanizmy stoją za zjawiskami przyspieszenia rozszerzania się Wszechświata i za początkową fazą inflacji w jego ewolucji? Zdaniem profesora Nakayi Hyper-Kamiokande ma duże szanse, by wnieść znaczący wkład do znalezienia odpowiedzi na te pytania. Kluczem do powodzenia przedsięwzięcia będą międzynarodowa współpraca i nowe technologie i techniki, z których część trzeba będzie dopiero opracować.
Polscy fizycy od lat z powodzeniem biorą udział w międzynarodowej współpracy w dziedzinie fizyki neutrin. „Polskie grupy neutrinowe pracujące w kilku uczelniach i instytutach współpracują zgodnie od ponad 20 lat” – powiedział prof. Jan Sobczyk z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Wrocławskiego. „Jest to dość rzadka rzecz, by harmonijna współpraca naukowców pracujących na co dzień w odległych instytucjach trwała tak długo. Nam się udaje i chyba wszyscy jesteśmy z tego zadowoleni, a konferencje takie jak ta, która odbyła się w Warszawie, bardzo w tej współpracy pomagają”.
W warszawskiej konferencji wzięło udział ponad 50 fizyków z 10 krajów. Wśród nich znaleźli się m.in. prof. Tsuyoshi Nakaya – spokesman współpracy T2K (Kyoto University), prof. Yasuo Takeuchi – jeden z oficjalnych referentów analiz eksperymentu Super-Kamiokande (University of Tokyo), prof. David Wark (Oxford) i prof. Carlos Peña Garay (dyrektor Canfranc Laboratory, Hiszpania). Instytucjami współorganizującymi konferencję były Narodowe Centrum Badań Jądrowych, Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, Wydział Elektroniki i Technologii Informacyjnych Politechniki Warszawskiej oraz University Autonoma de Madrid. Wydarzenie było dofinansowane z Europejskiego Funduszu Badań i Innowacji w ramach programu Horyzont 2020.
Informacje rozszerzające
Neutrina są bardzo ciekawymi cząstkami. Nie mają ładunku elektrycznego i występują przynajmniej w trzech rodzajach różniących się między innymi wielkością mas, których jeszcze nie znamy. O masach neutrin wiemy, że są znacznie mniejsze niż innych znanych cząstek – tak małe, że przez kilkadziesiąt lat sądzono, że są one po prostu równe zero. Mała masa sprawia, że neutrina powstające w rozpadach innych cząstek – na przykład neutronów – poruszają się wokół nas z prędkościami bardzo bliskimi prędkości światła. To także fakt niesłychanie interesujący, gdyż podobnie jak światło, mogą one nieść informacje o zdarzeniach we Wszechświecie mających miejsce w minionych epokach, a nawet w czasie jego prapoczątków. Pod pewnymi względami są nawet lepszymi nośnikami informacji: słabe oddziaływanie neutrin z resztą materii sprawia, że nie rozpraszają się one tak łatwo jak promieniowanie elektromagnetyczne, a dzięki temu istnieje szansa, że dzięki nim sięgniemy neutrinowym „wzrokiem” do zdarzeń, do których inaczej nie mielibyśmy dostępu.
Neutrina to jednocześnie cząstki dość kłopotliwe teoretycznie. Nie wpasowują się one zgrabnie w modele, którymi opisujemy zestaw innych znanych cząstek i ich oddziaływań. Na dodatek są zmienne – powstałe w dobrze znanej reakcji jako cząstki jednego rodzaju, potrafią po przeleceniu pewnej odległości ujawniać się jako neutrina innego rodzaju, co także obserwujemy w dobrze nam znanych reakcjach. Własność tę nazywamy oscylacjami neutrin, a za jej eksperymentalne potwierdzenie przyznano w 2015 r. nagrodę Nobla.